电池电源/锂离子电池

锂离子电池（有时缩写为锂离子）是一种可充电 电池，常用于消费电子产品。它们是目前最受欢迎的电池类型之一，具有最佳的能量重量比，没有记忆效应，并且在不使用时充电损耗缓慢。然而，如果处理不当，它们可能很危险，并且如果不注意，与其他电池类型相比，它们的寿命可能会更短。更先进的锂离子电池设计是锂聚合物电池。

索尼锂离子电池 LIP-4WM

历史

吉尔伯特·N·路易斯是一位著名的美国化学家，他从1912年开始研究锂电池，但第一批不可充电（一次性）电池直到1970年代初才开始商业化生产。可充电（二次）锂离子电池需要近20年的研究和开发才能实现大规模市场化生产；第一批商业化版本是由索尼在1991年生产的，此前牛津大学由约翰·B·古迪纳夫领导的团队进行了最初的发现。

优缺点

优点

锂离子电池可以形成各种形状和尺寸，从而有效地填充其供电设备的可用空间。

这些电池也比其他化学物质的等效电池更轻 - 通常轻得多。这是因为锂离子具有极高的电荷密度 - 是所有已知天然离子的最高密度。锂离子小而活动，但比氢更容易存储。因此，锂电池比具有氢元素的电池（例如镍氢电池）更小，并且挥发性气体更少。离子需要的存储中间体更少，因此更多的电池重量可以用作电荷，而不是开销。

锂离子电池不会受到记忆效应的影响。它们还具有低自放电率，每月约为 5%，而镍氢电池和镍镉电池分别为每月超过 30% 和每月 20%。

据一家制造商称，锂离子电池（以及相应的“非智能”锂离子电池）在通常意义上没有任何自放电。 这些电池中看起来像自放电的东西实际上是永久的容量损失，下面将更详细地介绍。另一方面，智能锂离子电池会自放电，这是由于内置电压监控电路的小而恒定的消耗造成的。这种消耗是这些电池自放电的最重要来源。

缺点

锂离子电池的一个独特缺点是，它的寿命取决于从制造之日起的老化（储存寿命），无论它是否充电，而不仅仅取决于充电/放电循环的次数。这种缺点没有得到广泛宣传。

在 100% 充电状态下，典型的锂离子笔记本电脑电池在 25 度摄氏或 77 度华氏下大部分时间处于满电状态，每年将不可逆地损失约 20% 的容量。但是，存储在通风不良的笔记本电脑内的电池可能会长时间暴露在比 25°C 高得多的温度下，这将大大缩短其寿命。容量损失从电池制造之日起开始，即使电池未被使用也会发生。不同的储存温度会导致不同的损失结果：0°C/32°F 下损失 6%，25°C/77°F 下损失 20%，40°C/104°F 下损失 35%。在 40% 充电状态下储存时，这些数字分别降低至 2%、4%、15%，分别对应于 0、25 和 40 摄氏度。

这使得锂离子电池不适合备份应用，与铅酸电池相比，甚至与镍氢电池相比也不适合。

由于电池可以持续输出的最大功率取决于其容量，因此在高功率（相对于C，电池容量为 A·h）应用（如便携式电脑和摄像机）中，锂离子电池可能不会表现出设备运行时间的逐渐缩短，而是可能经常突然失效。

低功率循环应用（如手机）可以使用锂离子电池获得更长的使用寿命。

独立的锂离子电池决不能放电到某个电压以下，以避免不可逆的损坏。因此，所有涉及锂离子电池的系统都配备了一个电路，当电池放电低于预定义阈值时会关闭系统。因此，在正常使用中，在设计良好的系统中“深度放电”电池是不可能的。这也是锂离子电池通常不会以这种方式出售给消费者的原因之一，而只以适合特定系统的成品电池的形式出售。

当电压监控电路内置在电池中（即所谓的“智能电池”）而不是设备中时，即使电池没有在使用，它也会持续从电池中吸取少量电流，因此电池不能长时间处于完全放电状态，以避免深度放电造成的损坏。

锂离子电池不如镍氢电池或镍镉电池耐用，如果处理不当，可能非常危险。它们通常更贵。

锂离子化学本身并不安全，锂离子电池需要内置几个强制性安全装置，才能被认为在实验室以外使用是安全的。这些装置是：关断隔板（用于过热）、撕裂片（用于内部压力）、通风口（压力释放）、热断路器（过电流/过充电）。这些装置会占用电池内部的可用空间，并增加额外的不可靠因素。通常，它们的运行是永久且不可逆地使电池失效。

尽管有这些安全特性，锂离子电池仍然经常被召回（参见 #安全问题）。

安全特性的数量可以与 w:镍氢电池 相比，镍氢电池只配备了一个氢/氧重组装置（防止因轻微过充造成的损坏）和一个备用压力阀。

目前正在进行研究，开发替代的锂离子化学物质，这些物质在没有或很少的安全装置的情况下就能安全使用，例如 。

规格和设计

• 比能量密度：150 到 200 W·h/kg (540 到 720 kJ/kg)
• 体积能量密度：250 到 530 W·h/L (900 到 1900 J/cm3)
• 比功率密度：300 到 1500 W/kg (@ 20 秒 [1] 和 285 W·h/L)

典型的锂离子电池化学反应如下

$\mathrm {Li} _{\frac {1}{2}}\mathrm {Co} \mathrm {O} _{2}+\mathrm {Li} _{\frac {1}{2}}\mathrm {C} _{6}\leftrightarrow \mathrm {C} _{6}+\mathrm {Li} \mathrm {Co} \mathrm {O} _{2}$

锂离子电池的额定 开路电压 为 3.6 V，典型充电电压为 4.2 V。充电过程是恒压限流充电。这意味着以恒定电流充电，直到电池达到 4.2 V 的电压，然后以恒定电压继续充电，直到电流降至接近零。（通常在充电电流达到初始充电电流的 7% 时终止充电。）过去，锂离子电池不能快速充电，通常需要至少两个小时才能充满电。当前一代电池可以在 45 分钟或更短的时间内充满电；一些电池甚至可以在短短 10 分钟内达到 90% 的电量。

锂离子电池的内部设计如下。负极 由 碳 制成，正极 是一种金属 氧化物，电解质 是 锂 盐 溶解在 有机 溶剂 中。由于锂金属可能在不规则充电条件下生成，具有很高的反应性，并可能引起爆炸，因此锂离子电池通常内置了保护电子设备和/或保险丝，以防止极性反转、过压和过热。

固体电解质界面

激活锂离子 电池 的一个特别重要的因素是固体电解质界面 (SEI)。锂离子 电池 中的 液体 电解质 由固体 锂-盐 电解质（如 LiPF₆、LiBF₄ 或 LiClO₄）和 有机 溶剂（如 乙醚）组成。液体 电解质 传导 Li 离子，这些离子充当 正极 和 负极 之间的载体，当 电池 通过外部电路传输电流时。然而，固体电解质和有机溶剂很容易在充电过程中被分解在 负极 上，从而阻止电池激活。然而，当使用合适的 有机 溶剂作为电解质时，电解质会被分解并在第一次充电时形成一个固体电解质界面，该界面具有良好的电绝缘性和高 Li 离子传导性。该界面可以防止电解质在第二次充电后被分解。例如，碳酸亚乙酯在相对较高的电压下（相对于锂为 0.7 V）分解，形成紧密而稳定的界面。该界面被称为 SEI。

参见 三氧化铀，了解正极工作原理的一些细节。虽然三氧化铀没有用于商业生产的电池，但三氧化铀可以可逆地嵌入阳离子的方式与许多锂离子电池中正极的工作方式相同。

延长锂离子电池寿命的指南

• 与 镍镉电池 不同，锂离子电池应该尽早经常充电。然而，如果长时间不使用，应该将其充电至 40% 左右。锂离子电池不应该像镍镉电池一样进行“深度循环”。
• 锂离子电池应该保持凉爽。理想情况下，它们应该储存在冰箱中。在高温下，电池老化速度会快得多。汽车内部的高温会导致锂离子电池迅速老化。
• 锂离子电池不应该完全放电（0%）。
• 根据一本书^{，锂离子电池不应该被冻结。请注意，大多数锂离子电池电解质在约 -40 °C 时会冻结，这比大多数家用冰箱能达到的最低温度低得多。}
• 锂离子电池只在需要时购买，因为老化过程从电池制造之日起就开始。
• 当使用笔记本电脑通过固定线路电源长时间运行时，可以将电池取出并储存在阴凉处，以防止它受到电脑发热的影响。（但是，笔记本电脑的电池可以防止电源故障和 电压骤降 时内存中数据的突然丢失。合理的替代方案是使用旧的锂离子电池或外部 不间断电源。）

储存温度和电量

将锂离子电池储存在合适的温度和电量下对于保持其存储容量至关重要。下表显示了在给定电量和温度下储存后会发生的永久容量损失。

永久容量损失与储存条件的关系

储存温度	40% 电量	100% 电量
0 °C (32 °F)	2% 损失 (1 年后)	6% 损失 (1 年后)
25 °C (77 °F)	4% 损失 (1 年后)	20% 损失 (1 年后)
40 °C (104 °F)	15% 损失 (1 年后)	35% 损失 (1 年后)
60 °C (140 °F)	25% 损失 (1 年后)	40% 损失 (3 个月后)
来源"如何延长锂电池的使用寿命". 检索于 2011 年 10 月 15 日.

避免将锂离子电池储存在满电状态下非常有利。与储存在 100% 电量的锂离子电池相比，储存在 40% 电量的锂离子电池的使用寿命要长得多，尤其是在高温环境下。

如果将锂离子电池储存在电量过低的狀態下，存在电量下降到电池低电压阈值以下的风险，从而导致电池无法恢复地失效。一旦电量下降到这个水平，再充电就会很危险。因此，内部安全电路会断开以防止充电，电池实际上就会失效。

在可以使用第二个锂离子电池的情况下，建议将未使用的电池放电至 40%，并将其放入冰箱中以延长其保质期。电池应该在室温下放置长达 24 小时才能进行放电或充电。

安全问题

锂离子电池在暴露于高温或阳光直射的情况下很容易破裂、燃烧或爆炸。在炎热的天气里，不要将它们储存在汽车里。短路锂离子电池也会导致其燃烧或爆炸。切勿打开锂离子电池的外壳。锂离子电池包含安全装置，可以保护内部电池免受滥用。如果损坏，这些装置会导致电池燃烧或爆炸。

电池内部的污染物可能会破坏这些安全装置。2006 年中期，戴尔笔记本电脑中使用的 410 万块索尼电池被召回，原因是内部金属颗粒污染。在某些情况下，这些金属颗粒可能会刺穿隔膜，迅速将电池中的所有能量转化为热量。例如：戴尔笔记本电脑在日本会议上“爆炸”

锂电池顾问 Kuzhikalail M. Abraham 在 [2]E-Kem Sciences 表示，计算机行业提高电池容量的动力可能会测试敏感元件的极限，例如隔膜，这是一种仅有 20-25 微米厚的聚乙烯或聚丙烯薄膜。他指出，锂离子电池的能量密度自 1991 年推出以来已经翻了一番多。“当你在电池中填充越来越多的材料时，隔膜会承受压力，”他说。

2006 年中期戴尔笔记本电脑电池的召回并非首次，但却是规模最大的。在过去十年中，由于过热问题，手机和笔记本电脑中的锂离子电池已经多次被召回。去年 12 月，戴尔从美国市场撤回了大约 22,000 块电池。2004 年，京瓷无线召回了大约 100 万块手机电池。

“可以用磷酸锂金属正极材料代替锂离子电池中的钴酸锂正极材料，这种材料不会爆炸，甚至具有更长的保质期。但目前，这些更安全的锂离子电池似乎主要用于电动汽车和其他大容量应用，在这些应用中，安全问题更为关键……事实是，磷酸锂金属电池的能量储存量只有钴酸锂电池的 75% 左右……”（参考：http://www.nytimes.com/2006/09/01/opinion/01cringely.html）

新技术

2005 年 2 月，总部位于雷诺的小型公司 Altair NanoTechnology[3]宣布开发出一种用于锂离子电池的纳米级电极材料。其原型电池的功率是现有电池的三倍，可以在六分钟内充满电。

2005 年 3 月，东芝宣布推出另一款快速充电锂离子电池，该电池基于新的纳米材料技术，可实现更快的充电时间、更大的容量和更长的使用寿命。这款电池可能会在 2006 年或 2007 年初用于商业产品，主要用于工业和汽车行业。[4]

2005 年 11 月，A123Systems 宣布[5] 开发出一种新型高功率、快速充电锂离子电池系统[6] [7]，该系统基于从麻省理工学院获得的许可研究成果。他们的第一个电池正在生产中（2006 年第一季度），并已应用于DeWalt 电动工具和Hybrids Plus 普锐斯插电式混合动力汽车改造。

所有这些配方都涉及新的电极。通过增加有效的电极面积（从而降低电池的内阻），可以使用和充电时的电流可以增加。这类似于超级电容器的发展。因此，电池能够提供更高的功率（瓦特）；然而，电池的容量（安培小时）只略微增加。

2006 年 4 月，麻省理工学院麻省理工学院的一组科学家宣布，他们已经找到了利用病毒制造纳米级导线的方法，这些导线可以用来制造比普通锂离子电池能量密度高三倍的超薄锂离子电池。科学快报（预印本）[8]

截至 2006 年 6 月，法国的研究人员已经制造出纳米结构的电池电极，其能量容量（按重量和体积计算）是传统电极的几倍[9].